大型燃煤锅炉SNCR脱硝的数值模拟

1、第 30卷 , 总第 174期 2012年 7月 , 第 4期 节 能 技 术 ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY Vol. 30,Sum. No. 174July. 2012, No. 4大型燃煤锅炉 SNCR 脱硝的数值模拟曹庆喜 , 刘沛奇 , 张雨谦 , 邬文燕 , 刘 辉 , 杨春晖 , 吴少华(哈尔滨工业大学 , 黑龙江 哈尔滨 150001摘要 :为了给大型燃煤锅炉采用选择性非催化还原 (SNCR 脱硝技术提供参考和指导 , 本文借助计算流体力学软件平台 Fluent , 通过数值模拟的方法研究了一台 600MW 燃煤锅炉上的 SNCR脱硝过程 。 计算

2、结果表明大型燃煤锅炉上温降梯度较大 , 温度适宜进行 SNCR 脱硝反应的炉内空间较小 。 根据温度分布 , 锅炉满负荷运行时 , SNCR 脱硝系统投用还原剂喷射 3区 、 4区和 5区的喷 枪比较合适 。 在氨氮摩尔比为 1. 1的条件下 , 该燃煤锅炉上 SNCR 脱硝效率在 27%左右 。 向炉内喷入少量的添加剂一氧化碳 (CO 可以加快 SNCR 反应的速率 ,减少 NH 3漏失 。 关键词 :大型燃煤锅炉 ; 选择性非催化还原 ; 数值模拟 ; 添加剂 ; 一氧化碳中图分类号 :X511文献标识码 :A 文章编号 :10026339(2012 04029104Numerical S

3、tudy of SNCR Process in Large Coal Fired Utility BoilerCAO Qing xi , LIU Pei qi , ZHANG Yu qian , WU Wen yan , LIU Hui , YANG Chun hui , WU Shao hua(Harbin Institute of Technology , Harbin 150001, China Abstract :To provide reference and guidance for the application of selective non catalytic reduct

4、ion (SNCR in large capacity coal fired boiler , numerical study of SNCR process in a 600MW coal fired boiler was conducted by means of computational fluid dynamics code Fluent. The calculation results show that temperature drop rate is high and the furnace space with suitable temperature for SNCR re

5、action is small. According to the temperature distribution , the reducing regent injection zone3, zone4and zone5are practicable for full load operation of boiler. When the molar ratio of NH 3and NO is 1. 1, the NO re-moval efficiency can reach 27%roughly in this boiler. Adding a spot of CO to the fu

6、rnace can increase the SNCR reaction rate and decrease NH 3slip.Key words :large capacity coal fired boiler ; selective non catalytic reduction ; numerical simulation ; additive ; carbon monoxide收稿日期 20120510修订稿日期 20120618基金项目 :国家 863高技术基金项目 (2007AA05Z337 。 作者简介 :曹 庆 喜 (1979 , 男 , 助 理 研 究 员 , 研 究 方

7、向 为 低NOx 排放技术 、 计算机数值模拟 。0前言在各种低 NOx 控制技术中 , 选择性非催化还原(SNCR 法具有改造容易 、 投资小以及易于与其它低 NOx 控制技术联合应用等特点1, 因而引起广泛的重视 。 SNCR 技术把含有氨基的还原剂 (氨 、 尿素 等 喷入到燃烧后具有合适温度的烟气中 , 在没有 贵金属催化剂参与的情况下 ,还原剂选择性地将烟 气中的 NO x 还原为氮气 。 反应温度对 SNCR 脱硝技 术影响巨大 , 合适的脱硝温度一般在 900 1100 。 温度过低 ,SNCR 脱硝反应速率太低使脱硝效率下 降 , 未反应完全的 NH 3会随烟气排出 , 引起二

8、次污·192·染 ; 温度过高 , 还原剂可能会被氧化生成 NO x , 脱硝 效率也会下降 2。目前 , SNCR 脱硝方面的研究大多在中小型试 验台上进行13, 大型燃煤锅炉上 SNCR 脱硝的研究报道十分少见 。 另一方面 , 在大型燃煤锅炉上对 SNCR 脱硝进行工业试验的成本非常高 , 而数值模拟是一种经济有效的研究方法 。 一些研究者 46对 中小型装置上的 SNCR 脱硝进行了数值模拟 。 王智化等 7通过数值计算对一台 410t /h燃煤锅炉上 SNCR 脱硝过程进行了详细的研究 。 这些研究为 SNCR 技术在大型燃煤锅炉上的应用提供了有益的 参考 ,但其

9、研究对象的尺寸要远小于我国主力发电 机组 (600MW 及 以 上 机 组 锅 炉 。 有 报 道 指 出 , SNCR 技 术 的 脱 硝 效 果 随 炉 膛 尺 寸 的 增 大 而 恶 化4, 7。在已有研究的基础上 , 对我国主力电站锅炉上SNCR 技术的应用效果进行数值研究 , 对促进 SNCR 脱硝技术在大型燃煤锅炉的推广应用 , 具有重要的 指导意义 。 本文借助计算流体力学软件平台 Flu-ent , 对一台 600MW 燃煤锅炉上的 SNCR 脱硝进行 模拟 , 并初步考察脱硝添加剂 CO 在大型燃煤锅炉 上的应用效果 。1研究对象简介 研究对象是一台 600MW 燃煤锅炉 ,

10、 详见文献 8。 根据燃烧过程计算得出的炉内温度分布 , 适合 SNCR 脱硝的炉膛空间在高 50m 以上 8。 因此 , 本文 SNCR 脱硝计算取高 50m 至顶棚 (73. 2m 的炉内区域 (图 1 。 该炉膛左右墙之间分别均匀布置有 8片分隔屏过热器 、 32片屏式过热器以及 51片末级过热器。 图 1上炉膛及还原剂喷射点示意图Fig. 1Schematic illustration of the upper furnace and thereducing regent injection position如图 1所示 , 炉内 SNCR 脱硝还原剂喷射位置分为 6个区 , 其中 1

11、区 、 2区 、 3区为垂直于水冷壁壁 面布置的墙式喷嘴 ,1区喷枪的高度为 52. 25m , 四 面炉墙各有 4支 , 合计 16支 ; 2区 、3区喷枪分别布 置在高 58. 8m 、63. 05m 处 , 每区仅在前墙布置了 7支喷枪 。 4区 、5区 、 6区为深入炉膛的水冷长喷枪 , 每个区域在两侧墙各安装有一支长喷枪 , 每支长喷 枪长约 7m ,上下各有 12个喷孔 。 4区 、 5区 、 6区喷 枪分别位于炉高 59. 55m 、 64m 、 67. 1m 处 , 其中 4区 、5区喷枪距前墙约 11. 62m , 6区喷枪距离前墙 大约 9. 97m 。燃烧过程计算见文献

12、8, 将其得到的 50m 高的水平截面的温度分布 、 速度分布 、 烟气组分分布导 入 , 作为 SNCR 脱硝计算的入口条件 , 入口的主要烟 气成分和温度的平均值见表 1。 在热边界条件中指 定壁面温度 , 根据工质温度及管壁热阻 , 水冷壁壁面 温度近似取为 363 478 的线性变化 , 分隔屏过热 器和屏式过热器的壁面温度分别取为 535. 5 和 587. 5 。 参考相关文献 9, 假定雾化喷嘴喷出的 还原剂液滴粒径范围为 50 300m , 服从 Rosin Rammler 分布 , 平均粒径为 200m 。 为了能够对脱硝还原剂与烟气的流动混合进行较为准确的计算 ,SNCR

13、脱硝区域网格划分较为细 密 , 并根据各级过热器的节距的不同分别进行了局部加密 (见图 2 , 网格总数为 140万左右。图 2网格划分俯视图 Fig. 2Grid structure planform表 1SNCR 脱硝入口烟气成分和温度的平均值 Tab. 1The average value of flue gas composition and tem-perature at the inlet of SNCR processO 2/%N 2/%H 2O /%CO 2/%NO /L ·L 1T /2. 976. 26. 114. 820413772SNCR 脱硝模拟的数学模型还

14、原剂液滴在烟气中的运动采用随机轨道模型计算 , 辐射传热采用 P 1模型 , 气相湍流模型采用 可实现的 k 双方程模型10。 湍流中 SNCR 化学反应的计算采用漩涡耗散概念模型 (EDC 进行模 拟 。 EDC 模型能在湍流反应流动中合并详细的化 学反应机理 , 其基本思想是假定反应发生在小的湍·292·流结构中 , 此结构称为良好尺度 11。 良好尺度的容 积比率按式 (1 计算*=Ck(23(1 式中 C 容积比率常数 , 取 2. 1377;! 运动粘度 /m2·s 1。此模型认为物质在小的结构中 , 经过一个时间 尺度 " *=C "

15、; (! /# 1/2后开始反应 。 其中 C 为时间尺 度常数 , 为 0. 4082。 反应经过时间尺度 " *后开始进 行 , 反应速率受 Arrhenius 方程控制 , 反应的速率常 数可以通过 Arrhenius 公式 (2 计算得到k f , r =Arexp Er(/RT(2式中 A r 指数前因子 ;Er 反应活化能 ;R 气体常数 ;T 热力学温度 。SNCR 脱硝工程中采用 10%的尿素溶液作为还 原剂 。 尿素溶液液滴喷入炉膛后受热很快挥发蒸发 并分解 。 在有水存在的条件 , 尿素的分解反应一般 可归总为 12CO (NH 2 2+H2O =NH3+CO2(

16、3由于 32685 时尿素接近完全分解 7, 13, 为了 简化计算 , 本文近似认为尿素在挥发的瞬间就转化 为 NH 3。 根据文献研究 , 一般认为 SNCR 脱硝可用 以下两个总包反应描述 14。NH 3 +NO +1/4O2=N2+3/2H2(4NH 3 +5/4O2=NO +3/2H2O (5反应 (4 和反应 (5 的速率计算如下 。r 4 =kr NO NH3; (6r 5 =kox O2 NH3; (7式中 kr 和 kox 为反应速率常数 , NO 、 NH 3和 O 2分别为 NO 、 NH 3和 O 2的浓度 。本文还计算了添加 CO 的 SNCR 反应 , 根据文 献中

17、的研究结果 1415, CO 对 SNCR 反应的影响采 用文献 14对公式 (2 中反应温度 T 进行修正的方 法来考虑 , 即 式 (6 和 式 (7 中 的 kr 和 kox 计 算 如下 :kr =ar exp (Er /(R (T +S (8 kox =aox exp (Eox /(R (T +S (9 式中 , ar 、 aox 、 Er 、 Eox 的数值取自文献 14, 详见 表 2。S =280. 2 x /(2545+x (10 其中 x 为添加剂 CO 的浓度 。CO 氧化反应方程式如下 。CO +1/2O2=CO2(11 该反应的反应速率按文献 16, 计算如下 。r1

18、1=kco CO O20. 5 H2O 0. 5(12 式中 CO 和 H 2O 分别为 CO 和 H 2O 的浓度 , kco 为反应速率常数 , 按式 (13 计算 。kco =3. 25 107 exp (15098/T (13 表 2SNCR 总包反应模型的动力学参数Table2Kinetic parameters of overall reaction model for SNCR process825 850 850 975 975 1100 ar /m3·mol 1·s 13. 56 10491. 49 10194. 36 1022 Er /J·mo

19、l 11. 03 1063. 60 1054. 27 105 aox /m3·mol 1·s 11. 48 10241. 20 10151. 10 1028 Eox /J·mol 15. 95 1053. 40 1056. 36 105 3计算结果分析3. 1炉内温度分布从图 3可以看出 , 高为 52. 25m 的炉内大部分 区域温度水平在 1300 以上 , 远高于 SNCR 脱硝的 温度窗口 , 说明满负荷运行工况下布置在该炉膛高 度的还原剂喷射 1区的喷枪不宜采用 。 高 58. 8m 前墙附近的区域温度水平在 1100 1200 之间 , 也高于 SNC

20、R 脱硝对温度的要求 , 所以此处的 2区 还原剂喷枪也不宜采用 。 3区 、 4区喷枪附近区域的 温度大致在 1000 1100 , 适合 SNCR 脱硝反应 。 5区喷枪附近的温度在 900 左右 , 该温度下 SNCR 反应仍然能够进行 , 但是由于反应速率较慢 , 有可能 引起 NH 3漏失 。 6区喷枪附近的温度在 900 以下 , 也不适合 SNCR 脱硝 。 根据以上分析 , 投用 3区 、 4区 、 5区的还原剂喷枪 。 总氨氮摩尔比为 1. 1。 由于5区附近温度水平较低 , 容易引起 NH3漏失 , 只喷入 15%的还原剂 。 3区和 4区附近炉内温度相对较 高 , 分别喷

21、入纳入 40%和 45%的还原剂 。图 3炉膛中心纵截面温度分布 ( Fig. 3Temperature in furnace center vertical section ( ·392·3. 2NH 3和 NO 分布图 4给出了炉膛水平截面上 NH 3浓度分布 , 在高为 60m 的水平截面附近 , 由于只有还原剂喷射 4区投运 , 因此 NH 3只分布在屏式过热器区域 。 在高 为 64m 的水平截面附近 , 布置有还原剂喷射 3区和 5区 , 其中 3区墙式喷枪喷入的还原剂主要分布在距离前墙 5m 以内的区域 ,5区长喷枪喷射的还原 剂主要分布在屏式过热器区域 ,

22、可见各区喷射的还原剂均不能达到距离前墙 5 10m 的空间内 。 可 见 ,大型燃煤锅炉的炉膛体积较大 , 喷入到炉内的还 原剂难以到达炉膛中心 , 其与烟气的混合情况较差 , 这会限制 SNCR 脱硝的作用效果 。 图 5给出了 64m 的炉膛水平截面 NO 浓度分 布 , 可见采用 SNCR 脱硝前 NO 浓度大致在 200 220L /L之间 , 采用 SNCR 脱硝后 NO 浓度显著降 低 , 局部最低降到 100L /L左右。 图 4炉膛水平截面 NH 3浓度分布 (L /LFig. 4NH 3concentration in furnace horizontal section (

23、L/L 图 564m 水平截面 NO 浓度分布 (L /LFig. 5NO concentrationin furnace horizontal section atthe height of 64m (L /L计算得到 SNCR 脱硝效率为 27%,NH 3漏失较 高 , 为 23L /L。 3. 3添加 CO 的 SNCR 脱硝为了降低 NH 3漏失 , 根据以上分析 , 对各组喷枪还原剂喷射量作了调整 ,并把添加剂 CO 气体从还 原剂喷枪的雾化介质通道喷入炉内 。 对采用 CO 的 SNCR 脱硝工况 , SNCR 系统的运行参数如下 , 氨氮 摩尔比 1. 1,3区和 4区分别喷入

24、40%和 50%的还 原剂 , 由于 5区和 6区喷枪附近的温度水平较低 , 所以各喷入 5%的还原剂 。 CO 全部从 6区喷入 , 其与 烟气中 NO 总量的摩尔比为 5。由图 6(a 可以看出 , 该截面前墙附近有一定量 的 NH 3,局部最高浓度达到 60L /L, 分析表明这是 3区喷入的还原剂被烟气携带上来的 。 在屏式过热 器区域 , 由于 6区喷入了添加剂 CO (见图 6(b , 加速了 SNCR 反 应 对 NH 3的 消 耗 , NH 3浓 度 低 于 20L /L, 所以 NH 3漏失不会很严重。图 6高为 68m 的水平截面 NH 3和 CO 浓度分布 (L /L F

25、ig. 6NH 3and CO concentration in furnace horizontal sec-tion at the height of 68m (L /L从图 6看 , 屏式过热器区域的 NH 3浓度比前墙附近的低 , 但是图 7表明屏式过热器区域的 NH 3和NO 的反应速率 (绝对值 均比前墙附近大 , 这说明 添加剂 CO 提高了 SNCR 反应速率 , 促进了低温下 NH 3和 NO 的反应 , 降低了 NH 3漏失 。 计算结果表明 NH 3漏失为 10L /L, CO 漏失也比较低 , 为 42L /L , 但是脱硝效率略有降低 , 为 26%。图 768m 水

26、平截面 NH 3和 NO 的反应速率 (mg /(m 3·s Fig. 7Net reactioin rate of NH 3and NO in furnace horizon-tal section at the height of 68m (mg /(m 3·s 4结论(1 大型燃煤锅炉上温降梯度大 , 温度适宜进行 SNCR 脱硝反应的炉内空间小 ; 根据温度分布 , 锅 炉满负荷运行时 ,SNCR 脱硝系统投用还原剂喷射 3区 、4区和 5区的喷枪比较合适 。 (下转第 319页 ·492·效率时 , 要充分发挥市场的调节作用 , 进一步完善能

27、源市场的相关机制 , 推进煤炭等能源交易机制的建 设 , 力争通过市场手段实现地区能源效率的良性提 升 。 同时 , 进一步完善能源消费结构 , 提升煤炭能源 利用效率 , 优化产业结构 , 提升地区能源配置效率 。 最后 , 加大对能源领域科技项目的支持力度 , 提升能 源的利用效率 。参考文献1李世祥 , 成金华 中国能源效率评价及其影响因素 分析 J 统计研究 , 2008(10 :18272屈小娥 中国省际能源效率差异及其影响因素分析 J 经济理论与经济管理 , 2009(2 :46523魏楚 , 沈满洪 能源效率及其影响因素 :基于 DEA 的 实证分析 J 管理世界 , 2007(

28、8 :66764王火根 , 沈利生 能耗降低的主要影响因素分析 :基 于结构分解技术的投人产出法实证检验 J 科技进步与对 策 , 2008(2 :86905BWilson , LTrieu , BBowenEnergy Efficiency Trends in Australia J Energy Policy , 1994, 22(4 6CJenne , RCattel1Structural Change and Energy Ef-ficiency in Industry J Energy Economics , 1983, 5(2 7JHu , SWangTotal factor En

29、ergy Efficiency of Re-gions in China J Energy Policy , 2006, (34 8EReshowEnergy Efficiency and the Slump in Labor Productivity in the USA J Energy Economics , 1981, 3(1 9王俊松 , 贺灿飞 技术进步 、 结构变动与中国能源利 用效率 J 中国人口 ·资源与环境 , 2009, 19(2 :15716110徐世 元 技术进步对能源 效 率 影 响 的 实 证 分 析 J 科研管理 , 2009, 30(6 :16241

30、1王 群 伟 , 周 德 群 , 陈 洪 涛 技 术 进 步 与 能 源 效 率 J 数理统计与管理 , 2009, 28(5 :913920(上接第 294页 (2 计算结果表明 , 在氨氮摩尔比为 1. 1的条 件下 , 该 600MW 燃 煤 锅 炉 上 SNCR 脱 硝 效 率 在 27%左右 。(3 向 炉 内 喷 入 少 量 的 添 加 剂 CO 可 加 快 SNCR 反应的速率 , 使 NH3漏失从 23L /L降低到 10L /L。参考文献1葛健 , 李静婷 , 刘辉 , 等 热态燃烧装置炉内温度和 组分分布及 SNCR 脱硝实验研究 J 节能技术 , 2012, 30 (1

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